Nghiên cứu thực hiện đối với Arabidopsis thaliana. Các nhà khoa học tại Đại học bang Michigan đã tiết lộ các biện pháp kiểm soát phân tử sinh học của một trong những hệ thống điều chỉnh sự chết của tế bào và sức khỏe thực vật. Nguồn: Kara Headley, Phòng thí nghiệm nghiên cứu thực vật MSU-DOE.

Tuy nhiên, về vấn đề cốt lõi, đây là một phát hiện cơ bản, được chia sẻ trên tạp chí Nature Plants, điều này có ý nghĩa trong sinh học về cách các sinh vật phản ứng với ức chế liên quan đến việc tế bào sản xuất quá mức protein.

Federica Brandizzi, người đứng đầu phòng thí nghiệm công bố phát hiện mới cho biết: “Sự sống phụ thuộc vào hoạt động của một cơ quan gọi là mạng lưới nội chất, hay ER (endoplasmic reticulum)”.

Brandizzi là giáo sư xuất sắc của MSU và Tổ chức Nghiên cứu MSU tại Khoa Sinh học Thực vật và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thực vật thuộc Khoa Năng lượng MSU

Brandizzi cho biết: “ER tạo ra các phân tử sinh học thiết yếu, bao gồm lipid và 1/3 lượng protein được tế bào sử dụng. Nó cũng tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào giao tiếp với môi trường bên ngoài. Một số tình huống sinh lý và ức chế nhất định có thể dẫn đến suy giảm khả năng sinh tổng hợp của cơ quan này, một tình huống được gọi là căng thẳng ER, có thể gây tử vong”.

Tác giả chính của nghiên cứu, Dae Kwan Ko, phó giáo sư tại phòng thí nghiệm Brandizzi tại MSU, cho biết: “Những gì chúng tôi đã tìm thấy là một con đường cụ thể và các cơ quan quản lý mới chưa từng được biết là có liên quan đến các phản ứng ức chế ER trước đây. Khám phá này mở ra những cánh cửa mới và những hướng đi mới trong nghiên cứu”.

Căng thẳng và công tắc tiêu diệt tế bào

Các tế bào trong mọi sinh vật nhân chuẩn như thực vật, nấm và động vật, bao gồm cả con người, có nhiều cơ chế tự hủy mà chúng có thể kích hoạt khi ở trong điều kiện môi trường không thuận lợi.

Các tế bào hy sinh bản thân có thể giúp duy trì sức khỏe của sinh vật lớn hơn trong những điều kiện nhất định - ví dụ như bằng cách ngăn chặn sự lây lan của một căn bệnh. Tuy nhiên, trong những điều kiện khác, cái chết ở cấp độ tế bào có thể dẫn đến tổn hại, bệnh tật và thậm chí tử vong cho sinh vật.

Ko cho biết: “Bằng cách hiểu rõ các cơ chế tự hủy phân tử sinh học này trong tế bào, các nhà nghiên cứu có thể nghĩ ra các chiến thuật để tránh hoặc trì hoãn thời điểm tế bào kích hoạt chúng để phản ứng với một số tác nhân gây căng thẳng nhất định”.

Những cơ chế này phần lớn rất bí ẩn và rất phức tạp, may mắn thay, Ko và các đồng tác giả, cũng là thành viên phòng thí nghiệm của Brandizzi, có kỹ năng đơn giản hóa. Tham gia cùng Ko và Brandizzi trong dự án còn có Joo Yong Kim, một cộng tác viên nghiên cứu Sau tiến sĩ và Ethan Thibault, một nghiên cứu sinh.

Ko cho biết có sự tương tác giữa gen và hoạt động của protein để truyền tín hiệu ức chế đến trung tâm chỉ huy hoặc nhân của tế bào và khi một đường dẫn tín hiệu nhất định được kích hoạt, nó giống như sự chuyển đổi giữa sự sống và cái chết trong một phản ứng căng thẳng.

Ko và các đồng nghiệp của ông đã nghĩ ra các thí nghiệm xác định các protein điều chỉnh một trong những con đường này, cùng với các gen liên quan.

Ko cho biết: “Trong bài báo này, chúng tôi đã cố gắng xác định các bộ điều chỉnh của một đường truyền tín hiệu. Thực sự không có nhiều thông tin về protein nào làm gì, ở đâu và khi nào. Chúng tôi muốn hiểu chúng đang làm gì trong thời gian và không gian”.

Để làm được điều này, Ko và nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc làm sáng tỏ một cơ chế hoặc con đường duy nhất trong ức chế ER.

Các nhà nghiên cứu của Đại học bang Michigan đã tạo ra một đột biến gen của cây Arabidopsis thaliana thiếu protein IRE1, một chất điều chỉnh quan trọng đối với căng thẳng của lưới nội chất. Những cây này cho thấy những khiếm khuyết về tăng trưởng (trái) trong điều kiện căng thẳng của mạng lưới nội chất so với điều kiện không bị căng thẳng (phải). Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng những đột biến tiếp theo đối với đột biến IRE1 có thể khôi phục phản ứng với căng thẳng của cây trồng gần hơn với mức bình thường. Nguồn: Dae Kwan Ko/Brandizzi.

Đưa một sinh vật kiểu mẫu vào hoạt động

ER là một cơ quan mà tế bào ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn sử dụng để gấp protein, cùng nhiều chức năng khác. Trong điều kiện bình thường, nhu cầu gấp protein của tế bào được cân bằng bởi khả năng gấp chúng của ER. Ko cho biết: “Nó giống như lái xe trên đường cao tốc với mật độ giao thông thấp”.

Tuy nhiên, khi tế bào phát triển hoặc trải qua những áp lực nhất định, bao gồm cả sự tấn công của mầm bệnh, nhu cầu về protein cuốn/gấp lại sẽ vượt quá khả năng gấp lại. Điều này dẫn đến sự tắc nghẽn của các protein chưa được mở ra. Đó là ức chế ER và khi nó trở nên quá nghiêm trọng, nó có thể gây tử vong.

Để tập trung vào một trong những con đường mà tế bào sử dụng để quyết định điểm bùng phát đó ở đâu, nhóm nghiên cứu đã cây mô hình Arabidopsis thaliana hay thale cress. Các nhà khoa học cũng có thể bắt đầu xác định các gen và đặc điểm được chia sẻ hoặc bảo tồn ở các loài khác.

Ko cho biết: “Những quá trình này được bảo tồn ở mức độ cao, không chỉ ở thực vật mà còn ở động vật và tất cả các sinh vật nhân chuẩn. Nghiên cứu các quá trình này trong một hệ thống mô hình như Arabidopsis có lợi thế là cho phép chúng tôi thực hiện nghiên cứu nhanh chóng bằng cách sử dụng nguồn tài nguyên gen dồi dào”.

Nhóm nghiên cứu đã trồng cây Arabidopsis “thông thường” cùng với các dòng cây khác có đột biến gen ngẫu nhiên. Như đã đề cập, nhóm nghiên cứu đã tạo ra những loài thực vật có hàng nghìn biến đổi về gen.

Sau đó, các nhà nghiên cứu theo dõi cách cây trưởng thành sau khi tiếp xúc với hợp chất ức chế quá trình gấp protein. Nghĩa là, về cơ bản, các nhà nghiên cứu đã khởi động tình trạng ùn tắc giao thông trên đường cao tốc ER.

Trong khi thực vật bình thường có thể chịu được áp lực này, thì một loại đột biến cụ thể thiếu một loại protein có tên IRE1 - viết tắt của “Inositol Requiring Enzyme 1”, không thể chịu được. Nhưng những đột biến tiếp theo ở loại đột biến này có thể khiến phản ứng ức chế ER của cây trở lại gần hơn với mức bình thường..

Các nhà nghiên cứu của bang Michigan cho biết còn nhiều điều cần tìm hiểu về sự sống và cái chết của tế bào bằng cách sử dụng sinh vật mô hình Arabidopsis thaliana. Nguồn: Alena Kravchenko / Wikimedia Commons.

Ko cho biết: “Chúng tôi có loại cây đột biến này được cho là bị bệnh do ức chế ER vì nó không có protein cần thiết cho phản ứng với ức chế ER”. Nhưng bằng cách gây đột biến cho chính đột biến, chúng tôi đã tìm thấy một đột biến khác có thể đẩy lùi bệnh tật”.

Đặc biệt, loài đột biến có khả năng phục hồi cao hơn này bị mất thêm một loại protein có tên là Pir1 (viết tắt của "Phosphatase type 2CA Interactive Ring Finger Protein 1"). Làm việc với Cơ sở Hỗ trợ Công nghệ Nghiên cứu Lõi Genomics và các cơ sở Lõi Chuyển hóa và Quang phổ Khối tại MSU, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra di truyền liên quan và tín hiệu phân tử quyết định số phận của tế bào trong điều kiện ức chế ER.

Mặc dù đây là một con đường trong một cây, nhưng cây đó có sức mạnh là một sinh vật mẫu như cây Arabidopsis. Ví dụ, phương pháp của nhóm có thể được sử dụng để tìm kiếm các con đường ức chế ER quan trọng khác được tìm thấy ở các sinh vật nhân chuẩn khác, chẳng hạn như con người.

Và mặc dù PIR1 chỉ được tìm thấy ở thực vật nhưng nó được tìm thấy ở hàng trăm loài, bao gồm cả các loại cây trồng như đậu nành.

Ko cho biết: “Vì vậy, bạn có thể bắt đầu nghĩ đến việc điều khiển hoạt động gen ở thực vật như đậu nành để khiến chúng chống chịu tốt hơn trước biến đổi khí hậu”.

Brandizzi cho biết: “Mặc dù PIR1 không phải là protein được bảo tồn bên ngoài thế giới thực vật, nhưng có khả năng các loài không phải thực vật sử dụng các cơ chế tương tự như cơ chế được PIR1 hướng dẫn để kiểm soát kết quả sống hay chết. Do đó, kết quả nghiên cứu của chúng tôi có thể có khả năng ảnh hưởng đến nghiên cứu về quản lý ức chế ER ở các loài không phải thực vật”.

Tuy nhiên, đối với Ko, vẫn còn nhiều con đường thú vị khác để khám phá ở Arabidopsis thaliana. Đầu tiên, rễ cây có khoảng chục loại tế bào khác nhau và việc hiểu rõ liệu con đường truyền tín hiệu này hoạt động khác nhau như thế nào ở các tế bào khác nhau có thể có tác động đến sức khỏe tế bào.

Brandizzi đã cho biết: “Bởi vì ER là một nhà máy sinh tổng hợp trong tế bào nên việc hiểu cách chúng ta có thể quản lý việc sản xuất protein trong ER có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng sinh khối thực vật và khả năng sử dụng thực vật làm lò phản ứng sinh học quy mô lớn để sản xuất protein dược phẩm tái tổ hợp, chẳng hạn như kháng thể và vắc xin”.

Vì vậy, phát hiện này hơi giống rễ cây đang nảy mầm: Phạm vi của nó chắc chắn sẽ phát triển rộng hơn và sâu hơn.

Theo Phys.org